揭示青藏高原形成的地殼流變制約機制

印度與亞洲大陸之間的碰撞造就了現今地球上最大、最高的高原——青藏高原（圖1a）。自Argand（1924）提出印度地殼整體性下插到青藏高原之下的模型算起，近百年的研究為人們理解高原的構造演化積累了豐富的觀測數據。然而，對青藏高原如何形成的問題仍然沒有取得一致的看法，存在「構造逃逸」、「一致性增厚」、「下地殼流」等多種模型。這些模型無法解釋青藏高原的地殼變形及結構沿造山帶走向的變化。

最近，地震學的研究結果顯示（圖1b~圖1d）：（1）俯衝的印度岩石圈在地幔中的角度從西到東逐漸變陡；（2）亞洲岩石圈沿著青藏高原北緣下插到高原之下，尤其是在西部帕米爾高原下方，俯衝極性發生了反轉，即印度岩石圈變成了上覆板塊。這些觀測結果預示：在沿碰撞帶走向上，岩石圈結構及物性存在強烈的非均一性。這種非均一性可能繼承於碰撞前亞洲大陸南緣經歷的多期微陸塊增生事件。因此，沿著印度-亞洲碰撞邊界地殼成分以及岩石圈強度存在重大差異。現今青藏高原在西部（鄰接塔里木盆地）狹窄而在東部寬闊（圖1a），可能就是岩石圈強度橫向差異的反映。然而，亞洲大陸沿造山帶走向的強度變化在青藏高原的形成過程中起的作用仍然不清楚。

針對上述科學問題，中國科學院地質與地球物理研究所岩石圈演化國家重點實驗室副研究員陳林與澳大利亞Monash大學博士Fabio Capitanio、美國UIUC博士Lijun Liu以及ETH教授Taras Gerya，合作開展了三維熱-力學模擬研究。作者設計了三組模型：（1）在第一組模型中，上板塊的下地殼流變性質用「基性麻粒岩」（Wang et al., 2012）來表徵，代表強度弱的亞洲岩石圈（圖2a）；（2）在第二組模型中，上板塊的下地殼流變性質用「輝綠岩」（Mackwell et al., 1998）來表徵，代表強度大的亞洲岩石圈（圖2b）；（3）在第三組模型中，上板塊的下地殼由兩部分組成，左部分（0～200 km）的下地殼用「輝綠岩」來表徵，右部分（200～1000 km）的下地殼用「基性麻粒岩」來表徵（圖3）。下板塊的下地殼流變性質均由「斜長石」（Ranalli, 1995）來描述。模擬結果顯示：弱的亞洲地殼有利於應變向北傳遞，最終在碰撞帶的後方形成一個寬闊的造山高原（圖2a）；相比之下，強的亞洲地殼抑制了高原的形成，造山吸收了大部分會聚量，同時強的亞洲岩石圈下插到印度岩石圈下方，形成了一個反極性的俯衝（圖2b）。當將二者合併到同一個模型中時，在模型左部（即西部）形成了一個窄的造山帶，同時上板塊向南下插到造山帶之下，形成了反極性的俯衝；而在模型右部（即東部）形成了寬廣的造山高原，下板塊俯衝到高原之下（圖3）。將模擬結果與印度-亞洲碰撞帶的主要特徵進行對比（圖1），作者認為亞洲大陸地殼的強度非均一性控制了青藏高原岩石圈變形及其結構的東西向變化。

該研究對認識大陸地殼流變性質在造山帶演化中的作用具有重要的啟示意義。上述研究成果於7月19日發表在國際期刊《自然-通訊》（Chen et al., 2017. Crustal rheology controls on the Tibetan plateau formation during India-Asia convergence. Nature Communications, 8: 15992, doi: 10.1038/ncomms15992）。（來源：中國科學院地質與地球物理研究所）

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